基于智能开关柜的数据通讯研究与实现

赖成瑜

（井冈山大学电子与信息工程学院，江西，吉安343000）

0 引言

智能开关柜的出现，解决了传统开关柜故障监测和检测半人工化的问题，通过自动监控单元，完成数据采集和监测，实现集散控制，极大地提高了开关柜和配电系统的性能和可靠性，提升了电力网络运行的效率。但目前开关柜智能化的研究和开发还不完善，主要问题是单一性能的居多，综合功能的偏少，无法满足多功能、综合性、快速联动、故障自动检测等要求。随着电力系统自动化的不断改进和智能电网的出现，对智能开关柜提出了更高的要求，市场迫切需要一种高智能化的开关柜，提升电力系统运行的效率和减轻人工劳动强度。为此，针对现行开关柜开展研究，在分析智能开关柜的通讯系统构成后，按照总体要求设计了单主站-从站为架构的通讯单元，开发出一种新型智能开关柜，通过实时监测，实现电网的全自动综合监控。

1 智能开关柜的通讯系统

智能开关柜的通讯系统分为三个主要组成部分：主机、智能型控制设备和通讯网络，系统结构组成如图1。第一部分主机是智能监控系统的核心部件。通讯系统把智能型元器件采集到的数据传递到主机，主机对数据进行分析判断，发送相关指令，实现对控制设备的监控和保护。第二部分智能型控制设备由各种传感器和参数检测器件组成，用来实时监测电网工作状态和各种电力设备的工作状况，监视当前运行态势，并通过通讯系统实时传送检测数据。第三部分通讯系统由接口、网卡等部分组成。为提升主机对通讯系统的响应能力和速度，完善系统实时监控力度，通讯系统在主机之后的下级网络加装一个网络从站。网络从站作为通讯系统的组成部分，是主站下属站，用于分担主站和设备之间的通讯负载，减轻主站工作，提升系统的通讯能力和保障通讯的可靠性。系统工作时，智能传感器及电力监测设备通过在线测量工作电压、电流、功率、频率、功率因数、谐波含量等基本参数，监测系统运行状况并传递到智能接口，智能接口接收参数后，自动分析诊断，实现故障检测和控制，系统根据故障类型对真空断路器合闸、分闸等操作，实现对过载、短路、漏电、断相、欠电压等常规电网故障的监控和报警。

图1 智能开关柜的构成Fig.1 Composition of the intelligent switch cabinet

1.1 通讯电路的总体设计

通讯电路最重要的任务就是将接收或采集到的数据传输到主机，主机发出控制指令反馈到控制设备或开关，实现双向信息传输，如图2。主机通过PROFIBUS-DP[1]总线连接外设单元电路，实时在线监测数据和设备运行工况信息，通过接口由主机接收，监控单元与智能设备之间接口通讯采用RS-485实现网络连通。

图2 开关柜的数据通讯系统Fig.2 Data communication system of switch cabinet

1.2 通讯单元的设计

1.2.1 主站通讯单元的设计

系统采用主站-从站式结构，各接口设备和检测设备通过PROFIBUS-DP协议实现连接和通讯，可以根据电网大小、规模、成本控制等要求配置从站数量，分配站点地址；从站的基本参数、控制参数、电量状态参数按照格式及长度分别设置。智能开关柜一般设计为单主站方式，电网容量大或用户数量比较多时可以考虑采用多主站方式，两者通讯原理基本相似，单主站系统的特点是主站从站及设备之间PROFIBUS-DP具有数据高速传输能力，总线系统通讯消耗时间最少，满足系统响应的快速性要求；同时，必要时可以在现有基础上方便扩展从站数量，增加负载容量，而不需要重新设计系统。多主站系统带负载能力强，但要求主站下设从站数量分配均衡，从站扩容时，要重新设计，使负载对称分布。

1.2.2 从站通讯单元的设计

从站通讯单元由PROFIBUS-DP通讯芯片和单片机组成，主要部分包括SPC3(Siemens Profibus Controller)和87C196KC单片机。 Profibus-DP协议采用OSI((Open System Interconnect)七层模型，保留了第一层的物理层、第二层的数据链路层和从站用户接口，舍弃其他三至七层[2]，SPC3是PROFIBUS-DP专用协议芯片，负责主站和从站的数据收发，发送速率可达97.1kbps～12.1Mbps，主站可以周期性地获取从站的发送内容，也可以周期性地向从站发送指令，实现指令和数据的双向传输[3]，具体任务包括:数据打包，拆包，存储，解读和发出指令等。87C196KC作为CPU 与A/D，继电器的接口连接SPC3，RS485总线驱动连通主站，其结构如图3。

图3 从站硬件接口Fig.3 Slave hardware interface

SPC3完全响应DP通讯协议，协助CPU 处理通讯事务，减轻了CPU 的负载。为实现SPC3与CPU 数据交换，其内部自带的RAM用作CPU 扩展的RAM，SPC3内部集成了功能齐全的SAP通信电路，用来完成数据交互，DP有多个缓冲区用于收发数据和诊断数据，并通过相应的寄存器完成地址和报文设置。

2 数据交换

从站与主站通讯设计完成后，从站按照进程开始数据交换。数据交换分四个阶段:第一阶段配置参数，主站完成状态检测，设置当前基础参数，并发送报文识别附属的从站，从站接收到报文后，进行核查诊断，确认通讯连接成功，如果出现通讯错误，主站根据反馈报文自动改变输出状态为安全模式，重新对系统状态化和参数化；第一阶段参数化设置结束后，进入第二阶段报文参数化。在上电状态时主站发送报文，从站接收信息改变地址，地址顺序从小到大排列，同时启动报文参数化，等待接收就绪后，从站开始接收参数化报文，但还无法接受其他报文，报文内容包含主站地址，同步(异步)锁定等系统运行信息；报文参数化结束后，进入到第三个阶段组态配置阶段，从站进入到等待组态模式，接收报文，组态报文规定了收发数据的字节大小，检查组态模式，向主站反馈检查结果，主站依据反馈信息进入到第四阶段数据交换；组态成功的系统自动完成数据交换，实现主站从站通讯，若组态和数据交换不成功则系统跳转到第一阶段[4]。通讯过程如图4。

图4 主站从站通讯建立过程 Fig.4 Process of establishing communication between master and slave

数据交换通过三个缓冲区D、N、U 完成交换过程。主站发送的报文数据放置在D区，从站接收的报文数据也放置在D 区，U 区用来存放接口数据。系统检测到D区报文数据后，需要将其输出时，输出指针指向D区，数据从D区被转存到N 区。系统在中断工作状态下，产生的实时输出通过将N 区和U 区的数据交换获取；如果从站需要向主站发送数据时，在搜索获取当前缓冲区的地址指针后，依据当前状态存入数据，CPU 发送数据输入指令，改换新的地址指针，用户数据发送到主站。

3 软件设计

3.1 主程序设计

功能模块完成参数检测后，要根据接收到的数据分析计算，判断运行情况，开始下一步程序设计，启动芯片初始化，实现主站从站通讯[5]。其流程图如图5。

主程序主要任务包括以下方面:

(1)对SPC3 参数清零，恢复初始值，并处于等待状态。

(2)寄存器设置。设置芯片RAM 寄存器，中断寄存器和模式寄存器，在RAM 寄存器完成从站编号，从站地址以及硬件地址等基本信息注册，在中断寄存器设置中断。

(3)缓冲区设置。计算缓冲区数据空间长度，分配数据存储区段，将结果存入寄存器。

(4)计算缓冲区数据首地址指针，存入寄存器。

(5)中断响应设置。

3.2 数据接收和发送的伪代码

数据发送时，先检测当前最新输入的数据，其伪代码如下:

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flow chart

3.3 主站从站通讯调试与仿真

在主从结构的通讯方式中，为了便于功能扩展，简化设计流程，各功能模块相互独立设计，按照结构和功能建立通讯，方便程序调试和后期维护[6]。实际应用中程序调试时，主站从站需要反复设置参数，验证通讯过程，西门子S7-300/400的PLC仿真软件PLCSIM 可以方便地模拟主站从站通讯[7]。以下为主要仿真调试过程如图6-图9。

图6 新建从站Fig.6 Create a new slave

图7 从站属性设置Fig.7 Slave property settings

图8 主站从站通讯连接Fig.8 Master station and slave station communication connection

图9 连接成功Fig.9 Successful connection

4 结论

PROFIBUS-DP现场总线协议简单，开放容错能力强，实时性高，安全性好，成本低，适用于频繁交换的互联通信网络，基于此协议构建的主站从站系统，集成多种功能于一体，可以独立完成数据采集、处理、控制任务，满足系统通信的要求。以SPC3与87C196KC为基础构建的系统硬件电路具有实时性的特点，因而系统响应快，符合系统快速性的需求；同时，在软件层面开发的主程序，按照功能和流程任务，完成初始化和参数设置工作，实现了从检测执行单元到主机控制的双向通讯，仿真验证了系统的可靠性。本文设计开发的智能开关柜具有开放性好，强大的数据和信息处理能力，可以有效应用于电网监测，完成常规故障的预警指示以及断闸、合闸等自动操作。下一步，智能化开关柜将在标准化、模块化、通用化方面展开深入研究，提升其智能化程度。